江南華南茶樹高溫熱害等級指標及分布特征

李 欣 王培娟* 唐俊賢2) 王 旗 李 揚 霍治國2)

1)(中國氣象科學研究院, 北京 100081) 2)(南京信息工程大學氣象災害預報預警與評估協同創新中心, 南京 210044)

引 言

我國是世界茶樹栽種面積最大的國家,茶樹資源豐富[1-2]。茶園面積和茶葉產量逐年增加,2022年全國茶園面積達3.33×106hm2,干毛茶總產量為3.18×106t[3]。20世紀50年代以來,全球大部分地區極端高溫事件發生的強度、頻率及持續時間均顯著增加[4-5],這對茶葉生產有很大影響。茶樹作為亞熱帶經濟作物,具有喜濕喜溫不耐熱的生物學特性[6-7],高溫使茶樹葉片被灼傷、甚至脫落,影響茶葉品質與產量[8]。因此,建立茶樹高溫熱害等級指標,對于精細監測茶樹高溫熱害狀況、預防茶樹因災損失至關重要。

高溫強度與暴露在高溫下的時間影響茶樹遭受高溫熱害的程度[9],已有關于茶樹高溫熱害等級指標的研究大多以不同高溫閾值、不同高溫持續時間或兩個因子結合的方式定義茶樹高溫熱害等級。陸健等[7]對茶樹幼苗及新梢進行不同溫度處理,結果表明35 ℃、40 ℃、45 ℃處理下的茶樹幼苗和新梢均分別出現輕度、中度和重度的熱害變化。陳家金等[10]以極端最高氣溫35 ℃作為高溫閾值,以不同持續高溫日數劃分等級作為評價福建茶樹高溫熱害危險性的指標;楊菲等[11]、陶瑤等[12]、汪建軍等[13]、萬璐等[14]綜合考慮高溫閾值與持續時間,將不同日最高氣溫閾值和不同閾值對應的持續時間作為江南等地區茶樹高溫熱害時空分析與風險區劃的指標;中華人民共和國農業農村部發布的農業行業標準[15]建立的茶樹高溫熱害等級指標,除了使用溫度和持續時間還考慮茶樹品種和空氣相對濕度;陳思寧等[16]認為不同坡向導致溫度與風速產生差異,影響茶樹的受害程度,因此將坡向作為湖北茶樹旱熱害的評價因子,結合干燥度與溫度分析湖北茶樹遭受旱熱害的空間分布。

茶樹在我國廣泛種植,根據生態條件、生產歷史、茶樹類型等特點可分為江南茶區、江北茶區、西南茶區、華南茶區[6]。目前,茶樹高溫熱害等級指標和時空分布的研究多集中在部分省份[10,16-18]、市[12,19-20]或江南茶區[11],但缺少對同樣易受高溫熱害的華南茶區的研究。同時,前人研究在不同地區關注的茶樹品種不同,周立永等[21]關注宜昌當地選育的早茶品種和福云6號的高溫熱害受災特點;周姣等[22]和郭水連等[23]分別對畢節市和宜春市種植的安吉白茶進行氣候適應性分析;婁偉平等[24]將浙江省茶樹品種分為4個耐熱性等級,分析不同耐熱性茶樹品種的高溫熱害風險。具體茶樹品種的高溫熱害指標在特定研究區內適用性較好,但是在大范圍農業氣象災害監測預警服務時,該高溫熱害指標的區域適用性則受到極大制約。因此,本研究基于氣象數據和歷史茶樹高溫熱害災情數據,使用歷史災情反演方法構建江南和華南茶區茶樹高溫熱害樣本,采用K-Means聚類分析方法劃分茶樹高溫熱害等級,構建適用于江南和華南茶區所有茶樹品種的高溫熱害等級指標,揭示區域尺度茶樹高溫熱害時空分布特征,以期客觀理解江南和華南茶區茶樹高溫熱害的發生區域、重現頻率和嚴重程度,為災害預警、風險評估及茶產業種植規劃布局提供科學依據。

1 數據與方法

1.1 研究區域

江南和華南茶區(7°～32°N,104°～125°E)(圖1)包括浙江、上海、江西、湖南、福建、廣西、廣東、海南、臺灣的全域,以及江蘇、安徽和湖北的南部[25]。該區域位于亞熱帶及熱帶季風氣候區內,年降水量為1400～2000 mm,平均氣溫為15～22 ℃,適宜茶樹生長[1,6]。夏季在西北太平洋副熱帶高壓的控制下,盛行下沉氣流,經常出現持續高溫天氣[26-27],影響茶樹的產量與品質。由于暫時缺少臺灣省數據,因此本研究僅分析江南和華南茶區除臺灣省以外的地區。

圖1 研究區域和氣象站分布

本文插圖中所涉及的國界和行政區域界線基于審圖號為GS(2017)3320號標準地圖制作,底圖無修改。

1.2 數 據

1.2.1 氣象數據

本文所用氣象數據來自國家氣象信息中心,經過嚴格的質量控制與訂正,僅保留缺測值不超過5%的氣象站,部分缺測值使用相鄰兩日的平均值替代,得到1961—2022年研究區內510個氣象站逐日最高氣溫數據,用于計算各氣象站全年發生的茶樹高溫熱害。

1.2.2 災情數據

災情記錄來自氣象災害管理系統、相關文獻記載[28-30]、網絡新聞報道等。共收集到2011—2022年84條茶樹高溫熱害記錄,包括茶樹高溫熱害的時間、地點,其中23條災情記錄還包括茶樹受災情況。本研究將有茶樹受災情況描述的災情記錄用于災害等級指標驗證,其余61條災情記錄用于等級指標構建。

1.3 研究方法

1.3.1 指標構建

1.3.1.1 茶樹高溫熱害樣本構建

災害持續時間和災害強度是量化極端天氣過程影響程度的重要指標[31-32],以往研究已得到江南和華南茶區茶樹高溫熱害的臨界閾值為連續14 d日最高氣溫的滑動平均值T14≥34.5 ℃[1]李欣,王培娟,唐俊賢,等.江南和華南茶區茶樹高溫熱害識別及閾值驗證.生態學雜志,待發表.,將日最高氣溫進行滑動平均處理可以反映持續高溫對后續日期高溫強度的影響,因此本文以持續日數作為劃分高溫熱害等級指標的參數,在茶樹高溫熱害臨界閾值的基礎上,重查茶樹高溫熱害記錄中T14≥34.5 ℃的持續日數,構建江南和華南茶區茶樹高溫熱害持續日數歷史樣本集,用于等級指標的構建。

1.3.1.2 聚類分析

K-Means聚類分析[33]是根據樣本特征的相似度或距離遠近將數據劃分為若干組的算法?？山Y合研究需要根據數據集自身特點對其進行分類,已在農作物區劃指標、災害等級指標劃分等方面[34-35]得到廣泛應用。本研究基于江南和華南茶區茶樹高溫熱害持續日數,使用K-Means聚類分析方法,將茶樹高溫熱害等級劃分為輕度、中度、重度3級[36]。

1.3.2 指標驗證

1.3.2.1 茶樹高溫熱害驗證樣本構建

對于有災情描述的茶樹高溫熱害記錄,基于災情反演方法,計算記錄日期當日的茶樹高溫熱害持續日數,并根據茶樹高溫熱害輕度受害、中度受害和重度受害的災情描述(表1),劃分樣本等級。如2022年8月23日浙江德清茶園蓬面葉片出現萎蔫和干枯現象,甚至脫落。根據災情描述,可以確定茶樹已經達到重度受害等級,基于茶樹高溫熱害閾值,計算2022年8月23日德清茶樹高溫熱害的持續日數為46 d,由此得到“時間-地點-災情等級-高溫熱害持續時間”為“2022-08-23-浙江德清-重度-46 d”的1條茶樹高溫熱害驗證樣本。

表1 茶樹高溫熱害災情描述分級[36]

1.3.2.2 驗證方法

根據驗證樣本的高溫熱害持續日數,利用構建的茶樹高溫熱害等級指標判斷茶樹高溫熱害等級,驗證其與災情描述等級是否一致。災情描述等級與指標計算等級相同的記為完全符合,相差不超過1級記為基本符合,相差2級或有受害癥狀但指標判識為無災均記為與實際災情不符[37]。

1.3.3 茶樹高溫熱害時空特征分析

1.3.3.1 高溫熱害次數

茶樹高溫熱害次數反映江南和華南茶區茶樹高溫熱害的發生頻率,次數越大、茶樹高溫熱害發生越頻繁。統計1961—2022年平均各氣象站發生輕度、中度、重度不同等級高溫熱害次數,表征江南和華南茶區茶樹高溫熱害發生頻率的時間變化;統計各氣象站平均每10年發生輕度、中度、重度等級的茶樹高溫熱害次數以及高溫熱害總次數,表示江南和華南茶區茶樹高溫熱害頻率的空間特征。

1.3.3.2 趨勢分析

對1961—2022年江南和華南茶區各氣象站茶樹高溫熱害次數序列采用一元線性趨勢分析方法,擬合年份和高溫熱害次數的線性關系,擬合方程的斜率大于0表示茶樹高溫熱害次數呈增加趨勢,反之為減小趨勢。使用F檢驗判斷擬合方程的顯著性,顯著性概率小于0.05記為顯著,大于或等于0.05記為不顯著。根據擬合方程系數和顯著性,可將各氣象站茶樹高溫熱害次數的趨勢分為顯著增加、不顯著增加、不顯著減少和顯著減少。

2 結果分析

2.1 茶樹高溫熱害等級指標

2.1.1 等級指標構建

基于江南和華南茶區茶樹高溫熱害臨界閾值,重新判識茶樹高溫熱害災情記錄,得到2011—2022年共61條江南和華南茶區茶樹高溫熱害持續時間記錄。利用K-Means聚類分析工具,將江南和華南茶區的茶樹高溫熱害持續時間樣本分為輕度、中度和重度等級,得到江南和華南茶區茶樹高溫熱害等級指標為T14≥34.5 ℃持續1～17 d為輕度高溫熱害,持續18～38 d為中度高溫熱害,超過38 d則達到重度高溫熱害。

2.1.2 等級指標的驗證

基于有災情描述的茶樹高溫熱害記錄構建茶樹高溫熱害驗證樣本,驗證等級指標的準確性(表2)。在23個驗證樣本中,17個樣本描述等級與指標劃分的等級完全符合,準確率為73.9%;4個樣本的描述等級與指標劃分等級相差1級,基本符合的準確率為91.3%。表明基于茶樹高溫熱害持續日數并利用K-Means聚類分析方法劃分茶樹高溫熱害等級指標對于實際災情的判識準確性較好。

表2 茶樹高溫熱害等級指標驗證樣本的數量及驗證結果

指標判識結果與實際災情不符的兩條記錄分別位于福建霞浦和浙江平陽,繪制兩地災情記錄之前連續14 d日最高氣溫滑動平均值變化圖(圖2)。根據災情記錄,2022年8月4日福建霞浦茶園達到中度高溫熱害,但指標判識顯示當地僅在7月21—29日發生了持續9 d高溫熱害,達到輕度熱害等級,8月4日當天并未發生茶樹高溫熱害(圖2),可能是由于實際上輕度高溫熱害未緩解,導致指標判識與災情記錄不符。同樣,浙江平陽在2022年8月23日記錄發生了重度高溫熱害,而指標判識顯示8月23日前僅連續2 d達到高溫熱害閾值,與實際災情記錄不符。但7月18日—8月3日平陽遭遇持續17 d的高溫熱害過程,這可能是導致災情記錄比指標判識災情嚴重的原因。

圖2 2022年福建霞浦和浙江平陽連續14 d日最高氣溫滑動平均值

2.2 江南和華南茶區茶樹高溫熱害次數時空特征

2.2.1 高溫熱害次數時間變化特征

圖3為1961—2022年江南和華南茶區各氣象站發生不同等級茶樹高溫熱害次數的時間序列。由圖3可知,江南茶區輕度茶樹高溫熱害每年均有發生,年平均次數為0.90次,有3年未發生中度茶樹高溫熱害,年平均次數為0.28次,15年未發生重度高溫熱害,年平均次數為0.10次?？偞螖底畹椭党霈F在1999年,為0.29次,最高值出現在2021年,為2.31次。華南茶區輕度茶樹高溫熱害每年均有發生,年平均次數為0.92次,僅有1年未發生中度茶樹高溫熱害,年平均次數為0.18次,20年未發生重度高溫熱害,年平均次數為0.04次?？偞螖底畹椭党霈F在1997年,為0.09次,最高值出現在2021年,為2.67次。華南茶區平均輕度高溫熱害次數均值與江南茶區接近,中度和重度熱害次數均值均低于江南茶區。

圖3 1961—2022年江南和華南茶區茶樹高溫熱害次數

2.2.2 高溫熱害次數空間變化特征

圖4為江南和華南茶區的高溫熱害次數分布。由圖4可知,江南茶區輕度高溫熱害次數為0.2～16.0次·(10 a)-1,呈現中間高、兩邊低的特征,高值主要位于江西和湖南的大部分地區,低值主要位于湖北西南部,江蘇南部和沿海地區,8個氣象站未發生過高溫熱害,站次比為2.9%。華南茶區輕度高溫熱害次數呈現內陸高、沿海低的特征,最高值出現在廣西崇左,為23.7次·(10 a)-1,最低值出現在廣東惠來,為0.2次·(10 a)-1,15個氣象站未發生過輕度高溫熱害,站次比為6.8%。江南茶區中度高溫熱害次數除江西和浙江部分氣象站外絕大多數不超過5次·(10 a)-1,有12個氣象站未發生中度高溫熱害,站次比為4.4%。華南茶區未發生中度高溫熱害的氣象站多分布在沿海地區,共43個站,站次比為19.5%,發生中度高溫熱害的除福建、廣東和海南的部分氣象站外均未超過5次·(10 a)-1。江南茶區有42個氣象站未發生重度高溫熱害,站次比為15.3%,主要分布在湖北西南部和浙江沿海;華南茶區有113個氣象站未發生重度高溫熱害,站次比達到51.4%。從高溫熱害總次數看,江南茶區呈南高北低特征,江西為高溫熱害最頻發的地區;華南茶區為北高南低,福建高溫熱害發生次數最多。

圖4 江南和華南茶區不同等級茶樹高溫熱害次數分布特征

2.2.3 高溫熱害次數變化趨勢

圖5為江南和華南茶區的高溫熱害次數變化趨勢。由圖5可知,江南茶區大部分氣象站輕度高溫熱害次數變化趨勢均呈現不顯著的增加或減少的特征,江蘇和浙江的沿海地區、江西、湖南和湖北部分氣象站呈顯著增加的趨勢,僅湖南南部的嘉禾站呈現顯著減少的趨勢,這與張曦等[38]對湖南夏季高溫熱浪頻次的變化趨勢研究一致,僅有極少數的氣象站通過顯著性檢驗。華南茶區41.4%的氣象站均出現輕度高溫熱害次數顯著增加的趨勢,且主要分布在沿海地區。對于中度高溫熱害次數變化趨勢,江南茶區呈中部減少、四周增加的分布特征,但大部分氣象站的變化趨勢不顯著,僅江蘇南部、浙江東部、江西和湖南南部以及湖北與湖南交界地帶的部分氣象站中度高溫熱害次數顯著增加,湖南中部部分氣象站顯著減少;華南茶區中度高溫熱害次數顯著增加的氣象站主要分布在福建沿海地區、廣東中部、廣西中部和海南北部,福建三明站中度高溫熱害次數顯著減少。從重度高溫熱害次數變化趨勢看,江南茶區依舊為中部減少、四周增加,出現顯著減少趨勢的氣象站集中在江西中部,出現顯著增加趨勢的氣象站分布在江蘇、浙江、湖南和江西南部;華南茶區呈顯著增加趨勢的氣象站主要分布在福建沿海、廣東、廣西和海南的北部、廣西的南部。從高溫熱害總次數變化趨勢看,江南茶區出現顯著增加趨勢的氣象站主要分布在四周,未出現顯著減少趨勢的氣象站;華南茶區出現顯著增加趨勢的氣象站覆蓋大部分地區,出現顯著減少趨勢的氣象站散布于云南西北部,這與張嘉儀等[39]使用不同方法分析全國范圍內高溫熱浪次數變化趨勢的結果較為一致,華南茶區高溫熱浪大部分氣象站或格點呈現顯著增加趨勢,而江南茶區只有部分氣象站或格點高溫熱浪次數顯著增加。

圖5 江南和華南茶區不同等級茶樹高溫熱害次數變化趨勢

3 結論與討論

本文基于1961—2022年江南和華南茶區的氣象數據和歷史災情數據,使用災情反演與K-Means聚類分析方法構建并驗證江南和華南茶區茶樹高溫熱害等級指標,進而分析茶樹高溫熱害特征,主要結論如下:

1) 利用K-Means聚類分析法得到江南和華南茶區茶樹輕度、中度、重度高溫熱害指標為T14≥34.5 ℃的持續日數分別為1～17 d、18～38 d和超過38 d,驗證樣本完全符合的準確率為73.9%,基本符合的準確率為91.3%。

2) 江南和華南茶區茶樹高溫熱害總次數在1961—2022年呈波動特征,分別在1999年和1997年達到最低值,兩個茶區都在2021年達到最高值。

3) 在空間分布上,華南茶區相對于江南茶區高溫熱害次數更多,尤其是輕度茶樹高溫熱害,且華南茶區茶樹高溫熱害次數的增加趨勢顯著。

本文基于江南和華南茶區的茶樹高溫熱害災情樣本,使用T14≥34.5 ℃的持續日數作為等級指標劃分的依據,并利用受災情況描述的樣本進行驗證。與前人建立的茶樹高溫熱害等級指標[11-15]相比,來自自然環境的災情樣本更客觀地反映了高溫熱害對茶樹的影響。本文使用的日最高氣溫的滑動平均值較前人將高溫強度與持續日數分開考慮的指標[11-15],更能反映高溫的累積效應[14],但可能會推遲對茶樹高溫熱害結束時間的判識。雖然災情記錄分布不均可能對結果有一定影響,但從現有數據的驗證結果看,該方法準確性較高,可用于監測和評估江南和華南茶區茶樹高溫熱害。

本文分析江南和華南茶區茶樹高溫熱害次數的時空分布特征,2000年后兩個茶區的茶樹高溫熱害次數偏高,這可能與進入21世紀后全球變暖有關[40-41]。在空間分布上,華南茶區高溫熱害發生次數比江南茶區更多,可能是由于兩個茶區處于不同的高溫類型,江南茶區所在的江淮型高溫地區,高溫強度最強,華南茶區所在的華南型高溫是西北太平洋副熱帶高壓直接控制下的高溫,與季風環流密切相關,持續高溫過程跨越季節最長,且高溫過程平均次數也最多[42-43]。本文對于茶樹高溫熱害次數的變化趨勢分析發現沿海地區的茶樹高溫熱害次數出現顯著增加趨勢,這與賈佳等[44]對中國高溫熱浪頻次變化趨勢的研究結果一致,而沿海地區多為平原,內陸更多為山地地形,該特點對茶樹高溫熱害次數趨勢變化的影響還有待進一步研究。

茶樹生長除了受到溫度條件的影響,同時也受到水分條件制約[6]。江南和華南茶區隨著夏季雨帶北移,不僅容易出現高溫天氣,還會存在干旱的風險[45],使茶樹出現旱熱害癥狀[46-47]。本文建立的茶樹高溫熱害指標僅考慮溫度條件,并未考慮可能發生干旱的風險,影響指標對于茶樹高溫熱害判識的準確性。因此,構建基于多因素的茶樹旱熱害指標將成為未來研究工作的重點。